应用领域稳步扩大的TMCP技术

作者：马巧红 李宏明

欢迎访问e展厅 展厅 1 炼钢炉/冶金机械展厅 连铸机, 轧钢机, 熔炼炉, 水冷套, 电炉铁芯, ... TMCP钢最初应用于造船业，后来扩大到所有使用厚钢板的领域。TMCP钢的应用范围之所以如此广阔是因为TMCP钢所具有的高强度高韧性的特点，使其能满足厚板各种应用领域的不同要求，从而自然就使TMCP钢的应用范围扩大了。 TMCP的发展和工艺原理 TMCP(Thermo Mechanical Control Process：热机械控制工艺)就是在热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制(CR Control Rolling)的基础上，再实施空冷或控制冷却(加速冷却／ACC：Accelerated Cooling)的技术总称。 TMCP工艺是当今高性能钢材主要生产手段，是提高钢材的强度、韧性和焊接性的一种控制工艺技术。20世纪60年代，是石油能源开发的高峰期，在一些高寒地带必须使用低温韧性好的高强度管线钢，当时，日本的钢铁公司倾注全力，借助于最新型厚板轧机设备在短时间内利用控制轧制技术成功地开发了这种管线钢。20世纪70年代，人们经反复实验发现仅仅靠传统的控轧使相变组织微细化还远远不够，还需要通过冷却来控制相变本身。80年代初，日本首先建立了在线冷速系统，这是一个既能提高强度而又无损于韧性的措施 。控制冷却是从Ar3以上的温度开始水冷，在相变终了温度附近(550～500℃)结束，然后进行空冷。控制冷却将空冷时生成的珠光体变成微细分散的贝氏体，这样控轧后进行控冷的组织是细晶铁素体和微细弥散型贝氏体的混合组织，铁素体晶粒的细化与贝氏体比率的增加可在提高强度的同时改善延伸性。控冷能获得细化效果的具体原因在于：控轧后引入加速冷却控制，可降低奥氏体的相变温度，过冷度增大，增大γ—α相变驱动力，使α相从更多的形核点生成，同时抑制α晶粒的长大，而且由于冷却速度增加，阻止或延迟了碳、氮化物在冷却过程中的过早析出，因而易于生成更加弥散的析出物。进一步提高微合金化钢冷却速度，可形成贝氏体或针状铁素体，进一步改善钢的强韧性。总之，TMCP技术是通过控制轧制温度和轧后冷却速度、冷却的开始温度和终止温度，来控制钢材高温的奥氏体组织形态以及控制相变过程，最终控制钢材的组织类型、形态和分布，提高钢材的组织和力学性能。 TMCP的应用 自20世纪80年代开发出TMCP技术以来，经历了20多年的时间，在这期间TMCP的应用范围不断扩大，目前已成为生产厚板不可或缺的技术。TMCP钢与常规轧制钢和正火钢相比，它不依赖合金元素，通过水冷控制组织，可以达到高强度和高韧性的要求，而且在碳当量较低的情况下能够生产出相同强度的钢材，因此可以降低或省略焊接时的预热温度；碳当量低又可以降低焊接热影响区的硬度，不容易形成因显微偏析而产生的局部硬化相，容易保证焊接部位的韧性。目前，其应用领域除了造船领域外，还涉及了海洋结构件、管线管和建筑、桥梁等各种领域。另外，TMCP还是一项节约合金和能源的工艺。从环保方面来看，它也是一项意义深远的技术。 1 船板 TMCP钢首先是在造船领域迅速扩大应用的，TMCP钢的出现促进了高强度钢(HT)的扩大应用。从大型油船中高强钢的使用量变化来看，随着TMCP钢的出现，高强钢的使用量已由原来的20％～30％提高到60％～70％，而且甚至还使用了屈服强度为390MPa级的钢。由于提高了高强钢的使用比例和采用高屈服强度的钢，因此能大幅度减轻船舶的自重和节能，为提高经济效益和环保做出了很大的贡献。 从实际生产的结果也可说明用TMCP工艺生产的船板具有高强度和良好的低温韧性，完全可以代替正火处理，而且TMCP具有较低的碳当量（Ceq），易于焊接。 芬兰采用TMCP技术， 生产了NVE360、NVE400、NVE500的产品，用于破冰船，NVE500 的Ceq仅为0.40%。另外，从提高运送效率的观点来看，集装箱船的大型化取得了显著的发展，装载量超过6000个集装箱的大型集装箱船已应用于实际。这就要求其船体的船舷外板和舱口挡板等重要构件使用板厚超过60mm、屈服强度为390MPa级的钢，并能进行350～450kJ／cm的超大线能量焊接，开发这种钢种也是以TMCP为基础，通过防止焊接热影响区(HAZ)显微组织粗大化技术的组合，对船体用钢进行开发。TMCP钢在厚钢板、高强度和大线能量焊接钢的开发应用上具有显著优势。 2 海洋结构 近年来，海底能源资源的开发地点正在向深海域、北海北部和北极海等寒冷海域推移。海洋结构件的建造也随之大型化，同时由于所处的环境也非常严酷，因此使用钢材的厚度变得更厚、韧性更高，使用钢材的屈服强度由355MPa级向420MPa级发展，尤其是最近还使用了屈服强度500MPa级的钢。为进一步提高海洋结构件用钢板安全可靠性，评价破坏韧性，使用了接头部的CTOD值(Crack Tip Opening Displacement：裂纹尖端开口位移)作为评价韧性的指标，例如要求在-10℃时CTOD的值为0．25mm的情况增多，为适应这种要求，必须应用TMCP技术。日本研制生产的屈服强度420MPa的钢（符合API 2WGr.60），厚度40～70mm，焊后热处理Akv（-40℃）280J，且FATT 达到-90℃～-100℃、Akv150J，用于海洋平台；利用TMCP技术，还开发了氧化物弥散分布的屈服强度500MPa的海洋平台用钢。 3 管线用钢 在高强度和高韧性管线管的开发中充分利用了TMCP技术，同时还广泛应用于耐酸性气体的管线管的生产。为降低酸性环境下的氢诱发裂纹(HIC)，应减少会导致HIC产生的[S]，并通过添加Ca来控制硫化物的形态，同时减少对HIC敏感的硬化组织区。采用TMCP可进行低C和低合金的成分设计，进而在连铸时可降低[Mn]等在板厚中心部的合金偏析量，尤其是在生产厚板时采用加速冷却可以抑制[C]向板厚中心部的扩散等，因此TMCP对提高抗HIC能力是不可或缺的工艺，TMCP钢已应用于许多耐酸性气体的管线管项目。用控轧控冷技术生产的X70管线钢，钢板组织以针状铁素体为主，综合性能完全符合管线工程要求，已成功应用于国内的西气东输工程上。高强管线管的应用，使我国天然气干线工作压力从6.4MPa提高到10MPa，极大地节约了材料成本并提高了管线输送压力，凸现了高钢级管线管建设长距离管线的经济优势。在西气东输二线工程中，运用TMCP工艺优势，将会生产更高级别的管线钢，使天然气干线输送压力可能达到12MPa或更高，进一步体现使用高强管线钢的经济优势。 4 建筑用钢 日本是多地震之国，从抗震性的观点来看，高层建筑物一般使用高强度低屈服比钢，它是利用钢材的塑性变形能够吸收地震的能量。为达到低屈服比，必须控制软质铁素体的百分率及其粒度。在生产高强度低屈服比钢时，有轧制后缓慢控制冷却的方法和将冷却开始温度控制在Ar3点以下的方法等，这些都是充分利用了TMCP技术。新日铁采用氧化钛和氮化钛弥散分布技术（简称HTUFF－Super HAZ Toughness Technology with Fine Microstructure Imparted by Fine Particles）开发了490MPa、520MPa、590MPa系列抗震建筑用钢，最大厚度100mm， 焊接热输入可达1000KJ/cm，局部脆化减弱。随着高层建筑安全性越来越受重视，低屈强比钢种的应用会更加广泛。 5 桥梁用钢 桥梁在国家基础建设中具有重要地位，它对质量和建造技术有很高的要求。为节约资源、降低成本使人们对桥梁用结构钢也提出了更多、更苛刻的要求。在桥梁结构中使用高强度钢材可以减薄桥梁钢板的厚度，减轻桥梁结构自重，由此可加大桥墩间距，改善施工条件；如果使用耐候钢还可以降低桥梁的维护费用。随着钢桥合理化设计的发展，开始越来越多地要求使用厚度和强度比以往高的钢材，来减少桥梁的主要桁架数量，提高焊接施工效率(无需焊接预热)，为此，应用TMCP工艺开发的低裂纹敏感性钢种，扩大了其在桥梁领域的应用。通过降低碳含量和适当添加合金形成贝氏体化的超低碳贝氏体钢，焊接裂纹敏感性指数（Pcm）可达到≤0.2％，Pcm是用于判断钢的冷裂纹发生倾向的直观参数，Pcm低，则钢的抗裂能力强，焊接性能好；反之，则钢的焊接性差。早期的低裂纹敏感性高强钢是采用调质工艺生产的，为了保证钢的淬透性，往往需要添加很多合金元素，如Cr、Mo、Ni等，这样钢的生产成本提高，而且生产周期长。由于控轧控冷技术的发展，将相变强化、位错强化、析出强化和细晶强化等强化手段很好地结合在一起，更有利于钢的强韧性的匹配，不需进行调质处理，就可开发出高性能易焊接的桥梁用钢。日本开发的屈服强度570MPa钢，焊接热输入可达200KJ/cm（为传统钢种的4 倍），-20℃下使用，焊接不预热，无弧坑裂纹、无硬化现象，厚度可达75mm，用于桥梁建设，还不需涂装，这些都极大地降低了桥梁建造成本。TMCP技术的发展，也为生产更高强度桥梁用钢奠定了基础，如日本在1974年建造的大坂港大桥上首先使用了780Mpa级的高强度钢板，由于当时钢板的性能尚不完善，为防止焊接时出现低温裂纹，尚需在高温下进行预热作业，但采用TMCP技术后，已生产出具有优良韧性和焊接性能的950Mpa级桥梁钢板。 6 其他用途 高压输水管领域是陆地结构件中强度最高，且使用板材极厚的最典型的领域，通过热处理方式生产已开始使用抗拉强度780MPa级的压力钢管。最近从提高输送能力和经济性的观点来看，对钢板的强度要求进一步提高，因此通过利用TMCP技术，开发了厚度达100mm、抗拉强度950MPa级的极厚钢板。在油罐用钢板领域中越来越多地要求钢板母材和焊接接头双方都具有高的裂纹传播停止性能。为适应这些要求，例如以前在LPG油罐(-50℃)一直使用3.5％Ni钢等，但通过使用TMCP技术，开发了Ni含量比以往钢减少的1.5％Ni钢，而且具有很好的裂纹传播停止性能，并已应用于实际。 从以上实例可以发现，能够节能的结构件的轻量化离不开高强度和高韧性，因此高强度钢得到了广泛应用。确保地震、火灾和事故发生时的安全性已成为越来越重要的问题，高安全性钢和高抗断裂性钢也将成为高强度钢的生产标准。由于用户对能够大幅度延长钢结构件使用寿命的疲劳特性和耐蚀性高的钢材的需求，以及对加工经济性的要求越来越高，加之超大线能量焊接技术已被广泛采用，因此良好的加工性和切割时不会产生变形也将成为高强度钢的生产标准。为实现上述各种各样的特性要求，今后有必要通过与其它技术的组合，探索TMCP钢的新功能，在逐步实现TMCP钢的新功能的同时，应根据市场的要求来采取切实可行的措施，扩大TMCP技术的应用。现代轧制技术的发展带来的是钢铁企业的低成本（合金添加量少，省却了后续的热处理），更主要的是为钢铁生产的下游用户提供更为直接的经济效益。 结语 21世纪可以说是地球环境保护的世纪。最近全世界有关全球变暖、地球环保和LCA(Life Cycle Assessment：生命周期评价)的争论说明了地球环境保护是一个多么紧迫、重要的课题，从保护地球环境的观点来看，今后节省资源、节省能源、安全性和长寿命化已成为全社会的要求。能够减少合金元素和省略热处理的TMCP已成为钢铁生产中越来越重要的技术。 可以预测市场对TMCP钢的要求除了进一步提高强度和韧性外，还会要求进一步提高结构件的安全性和耐久性，进一步提高焊接性、加工性和钢板的平直度，这些都将成为今后TMCP钢的研究领域。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/23/2007)